(57)【要約】【課題】耐食性に優れた転がり軸受を提供する。【解決手段】炭素含有率が０．１０〜０．３５質量％である合金鋼を所定形状に加工した後、ガス窒化処理と焼入れ焼戻しを行って、表層部での窒素の含有率〔Ｎ〕を０．０５〜０．５０質量％、窒素と炭素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕を０．４０質量％以上、表面硬さをＨＲＣ５８以上、下記の(1) 式で示す孔食指数（ＰＲＥ）を２０．０以上とすることにより、内輪および外輪を作製する。    ＰＲＥ＝〔Ｃｒ〕＋３．３〔Ｍｏ〕＋１６〔Ｎ〕…(1) 【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内輪と、外輪と、内輪および外輪の軌道面間に転動自在に配置された転動体と、を有し、
前記内輪および前記外輪は、
炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．３５質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が１２．５質量％以上１８．０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．８０質量％以上５．０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．１質量％以上１．５質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上２．０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が０．０５質量％以上４．０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．２質量％以下、硫黄含有率〔Ｓ〕が０．０１質量％以下、リン含有率〔Ｐ〕が０．０２質量％以下、酸素含有率〔Ｏ〕が１０ｐｐｍ以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である合金鋼からなる素材を、所定形状に加工した後、ガス窒化処理と焼入れ焼戻しを行って得られ、
表層部での窒素の含有率〔Ｎ〕が０．０５質量％以上０．５０質量％以下であり、
軌道面の表層部での窒素と炭素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕が０．４０質量％以上０．８５質量％以下であり、
軌道面の表面硬さがＨＲＣ５８以上６２以下であり、
下記の(1) 式で示す孔食指数（ＰＲＥ）が、表層部で２０．０以上４２．５以下である転がり軸受。
ＰＲＥ＝〔Ｃｒ〕＋３．３〔Ｍｏ〕＋１６〔Ｎ〕…(1) 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり軸受に関する。
【背景技術】
【０００２】
転がり軸受は、内輪、外輪、および転動体を有する。転動体は、内輪および外輪の軌道面間に転動自在に配置されている。
転がり軸受の用途として医療器具がある。医療器具は、滅菌・殺菌を目的として消毒液に浸漬され、消毒後に乾燥されるため、湿潤と乾燥が繰り返される環境下で使用される。また、消毒液として、血液やタンパク質の滅菌・殺菌効果を高めるために、強アルカリ性の溶液が使用されることもある。このように、医療器具の使用環境は、単に水で洗浄されるような使用環境と比較して、大変厳しい腐食環境である。医療器具に錆が発生すると性能低下の要因になるため、高い信頼性が要求される医療器具用の転がり軸受には耐食性が要求される。
【０００３】
従来より、耐食性および耐摩耗性が要求される転がり支持装置（リニアガイド装置、ボールねじ、転がり軸受など）用の鋼材としては、ＳＵＳ４４０Ｃに代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼が使用されている。フェライト系やオーステナイト系のステンレス鋼板は、マルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性に優れているが、転がり支持装置用の鋼材としては強度不足である。
【０００４】
特許文献１には、特定の鋼材（重量％で、Ｃ含有率が０．２６〜０．４０％、Ｓｉ含有率が１％以下、Ｍｎ含有率が１％以下、Ｐ含有率が０．０４％以下、Ｓ含有率が０．０３％以下、Ｃｒ含有率が１２〜１４％、Ｎ含有率が０．０２％以下、Ｂ含有率が０．０００５〜０．００２％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼材）を、窒素雰囲気中で加熱することで表層の窒素濃度を０．２５〜０．３％とした後、水焼き入れすることにより、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性に優れ、かつ、強度は同等以上である鋼を得ることが記載されている。
前記鋼材は、ＳＵＳ４２０Ｊ２の組成をベースとし、Ｂを０．０００５〜０．００２％添加したものである。
【０００５】
また、得られた鋼は、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼よりも耐食性、冷間加工性に優れ、かつ、十分な硬さを有しているため耐摩耗性にも優れているため、軸受、ボルト、金型、歪みゲージの起歪体、刃物等の部品材料として用いれば、安価で信頼性が高く、長寿命の部品が得られると記載されている。しかし、特許文献１には、実際に転がり軸受の内輪および外輪に適用した場合の性能に関する記載はない。
【０００６】
特許文献２は、下記の構成(a) 〜(c) を満たすマルテンサイトステンレス鋼が記載されている。特許文献２に記載された発明の目的は、外部水素源が絶たれる大気媒体中（海洋または都市環境）において固有の耐腐食性を有し、同時に高い引張抵抗（１８００ＭＰａ及びそれ以上のオーダーの）と非常に高い強度を有する若干合金化された炭素鋼の靭性と等しい靭性とを示すマルテンサイトステンレス鋼を提供することである。
【０００７】
(a) 組成が重量％において、９％≦Ｃｒ≦１３％、１．５％≦Ｍｏ≦３％、８％≦Ｎｉ≦１４％、１％≦Ａｌ≦２％。Ａｌ＋Ｔｉ≧２．２５％という条件で、０．５％≦Ｔｉ≦１．５％。測定限界値≦Ｃｏ≦２％。Ｍｏ＋（Ｗ／２）≦３％という条件で、測定限界値≦Ｗ≦１％。測定限界値≦Ｐ≦０．０２％、測定限界値≦Ｓ≦０．００５０％、測定限界値≦Ｎ≦０．００６０％、測定限界値≦Ｃ≦０．０２５％、測定限界値≦Ｃｕ≦０．５％、測定限界値≦Ｍｎ≦３％、測定限界値≦Ｓｉ≦０．２５％、測定限界値≦Ｏ≦０．００５０％である。
【０００８】
(b) Ｍｓ（℃）＝１３０２−４２Ｃｒ−６３Ｎｉ−３０Ｍｏ＋２０Ａｌ−１５Ｗ−３３Ｍｎ−２８Ｓｉ−３０Ｃｕ−１３Ｃｏ＋１０Ｔｉ≧５０である。
(c) Ｃｒ当量（％）＝Ｃｒ＋２Ｓｉ＋Ｍｏ＋１．５Ｔｉ＋５．５Ａｌ＋０．６Ｗ、Ｎｉ当量（％）＝２Ｎｉ＋０．５Ｍｎ＋３０Ｃ＋２５Ｎ＋Ｃｏ＋０．３Ｃｕという条件で、Ｃｒ当量／Ｎｉ当量≦１．０５である。
鋼の耐食性を示す指標として、下記の(1) 式で示す孔食指数（ＰＲＥ：Pitting Resistance Equivalent ）が知られている。孔食指数が高いほど耐食性が高いことを示す。
ＰＲＥ＝〔Ｃｒ〕＋３．３〔Ｍｏ〕＋１６〔Ｎ〕…(1) 
式中、〔Ｃｒ〕は鋼のクロム含有率（質量％）、〔Ｍｏ〕は鋼のモリブデン含有率（質量％）、〔Ｎ〕は鋼の窒素含有率（質量％）である。
特許文献１の鋼の孔食指数は１６．０〜１８．８である。特許文献２の鋼の孔食指数は１３．５〜２２．９９６である。特許文献２には、「クロムとモリブデン含有量は、好ましくは、少なくとも１６．５の孔食指数を得ることを可能にすべきである」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１３８４２５号公報
【特許文献２】特表２００８−５４６９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明の課題は、耐食性に優れた転がり軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明の転がり軸受は、下記の構成(1) で定義された転がり軸受であって、内輪および外輪が下記の構成(2) 〜(6) を有することを特徴とする。
(1) 内輪と、外輪と、内輪および外輪の軌道面間に転動自在に配置された配置された転動体と、を有する。
(2) 炭素含有率〔Ｃ〕が０．１０質量％以上０．３５質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が１２．５質量％以上１８．０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．８０質量％以上５．０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．１質量％以上１．５質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上２．０質量％以下、ニッケル含有率〔Ｎｉ〕が０．０５質量％以上４．０質量％以下、銅含有率〔Ｃｕ〕が０．２質量％以下、硫黄含有率〔Ｓ〕が０．０１質量％以下、リン含有率〔Ｐ〕が０．０２質量％以下、酸素含有率〔Ｏ〕が１０ｐｐｍ以下、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である合金鋼からなる素材を、所定形状に加工した後、ガス窒化処理と焼入れ焼戻しを行って得られる。
【００１２】
(3) 表層部（表面から深さ２００μｍの範囲）での窒素の含有率〔Ｎ〕が０．１０質量％以上０．５０質量％以下である。
(4) 軌道面の表層部（表面から深さ２００μｍの範囲）での窒素と炭素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕が０．４０質量％以上０．８５質量％以下である。
(5) 軌道面の表面硬さがＨＲＣ５８以上６２以下である。
(6) 下記の(1) 式で示す孔食指数（ＰＲＥ）が、表層部で１９．０以上４２．５以下である。
ＰＲＥ＝〔Ｃｒ〕＋３．３〔Ｍｏ〕＋１６〔Ｎ〕…(1) 
この発明の転がり軸受においては、使用する合金鋼の炭素含有率を低減するとともに、表層部のＰＲＥを２０．０以上にすることにより、内輪および外輪の耐食性を良好にしている。
【００１３】
また、使用する合金鋼の炭素含有率が低いことで低減する軌道面の硬さを、ガス窒化処理で表層部に導入された窒素により補っている。そして、転がり軸受の内輪および外輪の軌道面に必要な「表面硬さＨＲＣ５８以上」を得るために、軌道面の表層部での窒素と炭素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕を０．４０質量％以上にしている。
表層部の「孔食指数２０．０以上」を得るためには、表層部の窒素含有率〔Ｎ〕を０．０５質量％以上にする必要がある。表層部の窒素含有率が０．５０質量％を超えると、焼入れ時に残留オーステナイト量が増加し過ぎて十分な硬さが得られない。
なお、ガス窒化の処理温度が低くて窒素が吸収され難い場合や、窒素ガスの圧力が高過ぎて過剰な窒素が吸収される場合には、ＣｒＮやＣｒ2 Ｎ等の窒化物が析出して耐食性が低下するため、ガス窒化の処理温度は１１００℃（１３７３Ｋ）より高く、窒素ガス圧は０．０５〜０．１ＭＰａとすることが好ましい。
【００１４】
［構成(2) で使用する合金鋼の組成について］
〔Ｃ〕を０．１０質量％以上０．３５質量％以下とする理由は以下の通りである。
炭素（Ｃ）は、焼入れによって基地（マトリックス）に固溶し、組織をマルテンサイト化することで鋼を強化する元素である。また、他の合金元素（ＣｒやＭｏ）と結合して鋼中に硬い炭化物を形成させ、耐摩耗性を向上させる作用も有する。
しかし、炭化物形成のために、耐食性に寄与するＣｒとＭｏの炭化物近傍での存在率が低減することで、耐食性が低下する。また、炭素含有率が多いと鋼中に粗大な共晶炭化物が形成されやすくなり、靱性および加工性（研削性）が低下する。よって、良好な耐食性および加工性を得るために、炭素含有率を０．３５質量％以下とする。
また、転がり軸受の内輪および外輪として必要な硬さを得るために、炭素含有率を０．１０質量％以上とする。
【００１５】
〔Ｃｒ〕を１２．５質量％以上１８．０質量％以下とする理由は以下の通りである。
クロム（Ｃｒ）は耐食性に寄与する元素である。また、基地に固溶して焼入れ性を向上させる作用を有する。また、炭素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる作用を有する。医療器具用転がり軸受の内輪および外輪として必要な耐食性を得るためには、クロム含有率を１２．５質量％以上とする必要がある。
ただし、クロムの含有率が多くなると加工性（旋削性）が低下するため、１８．０質量％以下とする。
【００１６】
〔Ｍｏ〕を０．８０質量％以上５．０質量％以下とする理由は以下の通りである。
モリブデン（Ｍｏ）は耐食性に寄与する元素である。また、基地に固溶して焼入れ性および焼戻し軟化抵抗性を向上させる作用を有する。また、炭素と結合して鋼中に硬い炭化物を形成し、耐摩耗性を向上させる作用を有する。
医療器具用転がり軸受の内輪および外輪として必要な耐食性を得るためには、モリブデン含有率を０．８０質量％以上とする必要がある。
ただし、モリブデン含有率が５．０質量％を超えると、冷間加工性および被削性が不十分となって、生産性が低下する。
【００１７】
〔Ｍｎ〕を０．１質量％以上１．５質量％以下とする理由は以下の通りである。
マンガン（Ｍｎ）は、基地に固溶して焼入れ性を向上させる作用を有する。また、脱酸素材として作用する。０．１質量％未満であるとこれらの作用が実質的に得られない。
ただし、マンガン含有率が多くなると、鍛造性および被削性が低下する可能性と、硫黄（Ｓ）やリン（Ｐ）と共存して耐久性を低下させる可能性があるため、マンガン含有率を１．５質量％以下にする。また、マンガン含有率が多くなると、残留オーステナイト量が多くなって十分な硬さが得られない可能性があるため、マンガン含有率を０．９質量％以下にすることが好ましい。
【００１８】
〔Ｓｉ〕を０．１質量％以上２．０質量％以下とする理由は以下の通りである。
珪素（Ｓｉ）は、精鋼時に脱酸剤として作用し、基地に固溶して焼入れ性を向上させる作用を有する。また、焼戻軟化抵抗性を高める作用も有する。珪素含有率が０．２質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
ただし、珪素含有率が２．０質量％を超えると、靱性、冷間加工性および被削性が不十分となる。好ましくは珪素含有率を０．５質量％以下とする。
【００１９】
〔Ｎｉ〕を０．０５質量％以上４．０質量％以下とする理由は以下の通りである。
ニッケル（Ｎｉ）は耐食性に寄与する元素である。また、基地に固溶して焼入れ性および靱性を向上させる作用を有する。ニッケル含有率が０．０５質量％未満であると、これらの作用が実質的に得られない。
ただし、ニッケル含有率が４．０質量％を超えると、冷間加工性および被削性が不十分となる。好ましくはニッケル含有率を０．９質量％以下とする。
【００２０】
〔Ｃｕ〕を０．２質量％以下とする理由は以下の通りである。
銅（Ｃｕ）は、基地に固溶して焼入れ性および粒界強度を向上させる作用を有する。銅は必須成分ではないが、その含有率が０．０２質量％未満であるとこれらの作用が実質的に得られないため、銅を含有させる場合にはその含有率を０．０２質量％以上とする。
ただし、銅の含有率が０．２０質量％を超えると、熱間鍛造性が不十分となって、生産性が低下する。
【００２１】
〔Ｓ〕を０．０１質量％以下とする理由は以下の通りである。
硫黄（Ｓ）は、マンガン（Ｍｎ）と結合してＭｎＳを形成し、介在物となるため、その含有率を０．０１質量％以下にする。
〔Ｐ〕を０．０２質量％以下とする理由は以下の通りである。
リン（Ｐ）は、結晶粒界に偏析して、粒界強度や破壊靱性を低下させるため、その含有率を０．０２質量％以下にする。
【００２２】
〔Ｏ〕を１０質量ｐｐｍ以下とする理由は以下の通りである。
酸素（Ｏ）は、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）等と結合してＡｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＣａＯ等の酸化物を形成する。これらの酸化物は介在物となり、剥離の起点となるため、その含有率を１０質量ｐｐｍ以下にする。
この発明の転がり軸受を構成する内輪および外輪は、特許文献１および２に記載されたマルテンサイト系ステンレス鋼で形成された内輪および外輪よりも耐食性が高く、機械的強度も良好である。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、耐食性に優れた転がり軸受が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の一実施形態に相当する転がり軸受を示す断面図である。
【図２】耐食性試験前後のNo. ５の内輪の外周面の状態を示す図であって、（ａ）は試験前の状態を、（ｂ）は試験後の状態を示す。
【図３】実施形態で作製したNo.1〜１０の内輪における、錆発生数と孔食指数（ＰＲＥ）との関係を示すグラフである。
【図４】実施形態で作製したNo.1１〜１６の内輪における、錆発生数と鋼材の炭素含有率〔Ｃ〕との関係を示すグラフである。
【図５】実施形態で作製した鋼材の炭素含有率〔Ｃ〕がほぼ同じであるNo.1、No.2、No.6〜８の内輪における、表面硬さ（ＨＲＣ）と、表層部の炭素と窒素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、この発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態に相当する転がり軸受を示す図である。この転がり軸受は、内輪１と、外輪２と、ボール（転動体）３と、保持器４と、シール５を有する。
内輪１の外周面に軌道面１１が形成されている。外輪２の内周面に軌道面２１が形成されている。ボール３は保持器４に保持された状態で、内輪１および外輪２の軌道面１１，２１間に、転動自在に配置されている。
【００２６】
図１の形状を有する転がり軸受として、日本精工（株）の転がり軸受「名番ＳＲ１４４」（内径３．１７５ｍｍ、外径６．３５ｍｍ、幅２．３８ｍｍ、ボール直径１．００ｍｍ）を以下の方法で組み立てた。
先ず、下記の表１および表２に示す各組成の合金鋼No.1〜１６からなる素材を、旋削加工を行うことにより、内輪１および外輪２の形状にした。次に、No.1とNo.3〜５については下記の熱処理アを行い、No.2とNo.6〜１６については下記の熱処理イを行った。次に、研削仕上げを行ってNo.1〜１６の内輪１および外輪２を得た。
【００２７】
＜熱処理ア＞
焼入れと焼戻しからなる熱処理を行った。 
焼入れは、１０００℃〜１１００℃の真空中に０．５時間保持した後、油冷することで行った。
焼戻しは、１６０℃〜２００℃で１．５時間保持することで行った。
【００２８】
＜熱処理イ＞
ガス窒化処理、焼入れ、および焼戻しからなる熱処理を行った。 
ガス窒化処理は、電気炉に内輪および外輪を入れ、 炉内の温度を１２００℃（１４７３Ｋ）に保持して窒素ガスを導入し、窒素ガスの圧力を０．０５〜０．１ＭＰａに１２時間保持することで行った。窒素ガスの圧力を変えることで、表層部の窒素含有率が表１および表２の各値になるようにした。
【００２９】
焼入れは、油冷により行った。
焼戻しは、１６０℃〜２００℃で１．５時間保持することで行った。
得られた内輪１および外輪２と、窒化珪素（セラミックス）製のボール３と、ポリアミド製の保持器４と、ＳＵＳ３０４製のシール５を用いて、No.1〜１６の転がり軸受を組み立てた。
No.1〜１６の各転がり軸受を、温度３０℃の６質量％次亜塩素酸水溶液（ｐＨ１２）中に１６８時間浸漬した後、目視による外観検査で錆が発生している箇所を数えた（耐食性試験）。次亜塩素酸水溶液は消毒液として使用されているものであり、この耐食性試験の環境は、実際の消毒環境よりも厳しい環境である。
その結果、No. ５の内輪の外周面は、図２（ｂ）に写真で示す状態となっていた。図２（ａ）は次亜塩素酸水溶液に浸漬する前の状態を示す写真である。図２（ｂ）では、錆が発生した箇所を○で示している。
【００３０】
また、合金鋼No.1〜１６からなる素材を各種試験用の試験片の形状に加工し、それぞれ合金鋼No.1〜１６と同じ熱処理を行った１６種類の試験片を用意した。これらの試験片を用いて、以下の方法により、表層部の窒素含有率〔Ｎ〕、表層部の炭素と窒素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕、表面のロックウエル硬さ（ＨＲＣ）を測定した。
表層部の窒素含有率〔Ｎ〕および炭素と窒素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕は、電子線マイクロアナライザ (ＥＰＭＡ）を用い、加速電圧１５ｋＶの条件で測定した。表面のロックウエル硬さ（ＨＲＣ）は、「ＪＩＳ  Ｚ２２４５」に準拠した方法で測定した。
これらの測定結果を表１および表２に併せて示す。
【００３１】
【表１】
2013221180.tif 000003
【００３２】
【表２】
2013221180.tif 000004
【００３３】
表１に示すNo.1〜１０では、錆発生数をNo. ５の錆発生箇所数を１とした相対値で示している。図３は、No.1〜１０の内輪における、錆発生数と孔食指数（ＰＲＥ）との関係を示すグラフである。No.3〜５の内輪は、使用した鋼材の炭素含有率が０．３５質量％を超えるものである。
【００３４】
図３のグラフから、No.4の結果を除き、孔食指数を２０．０以上とすることで、錆発生数を著しく低減できることが分かる。No.4の内輪の錆発生数が多かった理由は、使用した鋼材の炭素含有率が過剰であったためと考えられる。
表２に示すNo.1１〜１６では、錆発生数をNo. １６の錆発生箇所数を１とした相対値で示している。No.1１〜１６の内輪は、孔食指数がほぼ同じで鋼材の炭素含有率〔Ｃ〕に違いがある。図４は、No.1１〜１６の内輪における、錆発生数と鋼材の炭素含有率〔Ｃ〕との関係を示すグラフである。図４のグラフから、錆発生数をNo. １６の２割以下とするためには、使用する鋼材の炭素含有率を０．３５質量％以下にする必要があることが分かる。
【００３５】
図５は、鋼材の炭素含有率〔Ｃ〕がほぼ同じであるNo.1、No.2、No.6〜８の内輪における、表面硬さ（ＨＲＣ）と、表層部の炭素と窒素の合計含有率〔Ｃ＋Ｎ〕との関係を示すグラフである。図５のグラフから、表層部の炭素と窒素の合計含有率を０．４０質量％以上とすることで、表面硬さをＨＲＣ５８以上にできることが分かる。
以上の結果から、この発明の範囲を満たすNo.6〜１２の転がり軸受は、この発明の範囲を満たさないNo.1〜５およびNo.1３〜１６の転がり軸受と比較して、耐食性に優れていることが分かる。
【符号の説明】
【００３６】
１  内輪
１１  内輪の軌道面
２  外輪
２１  外輪の転動面
３  ボール（転動体）
４  保持器
５  シール
【図１】
2013221180.tif 000005
【図２】
2013221180.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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